硅纳米晶体的氧化及发光性能研究

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与体硅材料相比,硅纳米晶体具有独特的光电特性,可以被广泛应用于诸如存储器、光电材料和生物学等领域,成为近些年来备受关注的研究热点。与体硅材料一样,硅纳米晶体表面也容易被氧化。本文的工作,集中研究硅纳米晶体在氧气中加热氧化和在空气中自然氧化在其表面形成氧化层,分析具有氧化层的硅纳米晶体的发光性能。首先,利用冷等离子体硅纳米晶体制备系统合成硅纳米晶体。通过改变气体流量、腔体气压等参数调节硅纳米晶体的尺寸,控制硅纳米晶体的光致发光峰位。其次,利用在氧气中加热氧化在硅纳米晶体表面形成较厚的氧化层。在氧气中的热氧化可以使自然氧化已经基本停止的硅纳米晶体继续氧化,得到比自然氧化过程更厚的,符合化学计量比的二氧化硅层。在低于850℃下进行热氧化,其过程会受到自我限制的影响,硅纳米晶体的内核只能缩小到一定程度即不再变化,并且在不同的温度下会有不同的内核极限;在850℃下进行热氧化,硅纳米晶体氧化的自我限制作用消失,会被完全氧化成二氧化硅。热氧化过程可以降低自然氧化形成的界面间的缺陷,并且可以通过氢退火获得更好的界面。但是,高温热氧化的作用可能导致了界面应力的存在,这会影响到硅纳米晶体的发光性能。另一方面,氧化层本身也存在非辐射复合发光中心,并且无法通过氢退火消除。正因为如此,尽管我们改善了界面处的缺陷,硅纳米晶体的光致发光效率却很低。最后,将自然氧化了6个月,荧光效率在370nm激发下可以达到近45%的硅纳米晶体与产业界广泛应用的材料进行封装。在封装材料中,中等质量分数(本实验中为5%)的硅纳米晶体可以获得最高的外量子效率(EQE),太多或者太少的硅纳米晶体都不利于外量子效率的提高,这将有助于在今后的应用中提高硅纳米晶体的利用率。固化过程会影响硅纳米晶体氧化层与封装材料之间的界面状态,削弱硅纳米晶体的辐射复合作用,降低封装材料中硅纳米晶体的外量子效率。同时,固化温度和固化时间均会产生影响,在今后的应用中应尽量避免高温和长时间的固化。通过将硅纳米晶体封装进OE6551中进行固化,我们获得了370nmLED灯激发下21%的外量子效率。OE6551是LED产业中十分常见的硅胶封装材料,这对于硅纳米晶体作为一种荧光粉在今后LED产业的应用具有参考作用。
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